Математики «сломали» квантовую физику? Предсказано существование частиц, считавшихся невозможными
Физики из Университета Райса и Университета Райса (США) представили в журнале Nature математическое доказательство существования нового класса частиц — парачастиц, которые не подчиняются ни статистике Ферми-Дирака (фермионы), ни статистике Бозе-Эйнштейна (бозоны). Работа опровергает устоявшееся мнение, что все частицы во Вселенной делятся строго на два типа, и открывает дверь для пересмотра основ квантовой теории поля.
За пределами привычной дихотомии
Долгое время считалось, что квантовые объекты могут быть либо «индивидуалистами» (фермионы, как электроны), которые не могут занимать одно квантовое состояние, либо «коллективистами» (бозоны, как фотоны), которые это делают охотно. Третьего, как полагали, не дано. Однако новая теория показывает, что парачастицы, существование которых предсказывалось математически еще в 1950-х годах, могут обладать физически наблюдаемыми свойствами, а не быть лишь абстрактной концепцией.
Как обмануть квантовую статистику
Ключевое отличие парачастиц кроется в механизме обмена. При перестановке двух фермионов их волновая функция меняет знак (множитель -1), у бозонов знак остается (множитель +1). Парачастицы же при обмене подвергаются не скалярному, а матричному преобразованию. Это становится возможным благодаря наличию у них «внутренних» квантовых индексов — неких скрытых меток, которые недоступны для прямого измерения, но изменяются при взаимодействии. Именно эта степень свободы позволяет парачастицам избегать ограничений, накладываемых стандартной статистикой.
Математика и экспериментальные перспективы
Исследователи разработали формализм вторичного квантования для невзаимодействующих парачастиц, который сохраняет принцип локальности (отсутствие мгновенного действия на расстоянии). На его основе построены точно решаемые спиновые модели в одном и двух измерениях. Эти модели показывают, что парачастицы могут проявлять себя как квазичастицы — коллективные возбуждения в конденсированных средах. Их необычная термодинамика, отличающаяся от поведения свободных фермионов и бозонов, может быть зафиксирована экспериментально, например, в системах холодных атомов или в некоторых магнитных материалах.
Стандартная квантовая статистика, описывающая фермионы и бозоны, является краеугольным камнем современной физики — от работы транзисторов до понимания сверхпроводимости. Идея о том, что этот фундамент может быть расширен, существовала в виде математической абстракции несколько десятилетий. Новая работа впервые предлагает конкретный, физически реализуемый сценарий, в котором парастатистика порождает измеримые эффекты, а не остается чисто теоретическим курьезом. Если существование парачастиц будет подтверждено, это не только изменит учебники по квантовой механике, но и даст физикам новый инструмент для поиска экзотических фаз вещества. Потенциально, управление такими частицами может лечь в основу принципиально новых квантовых вычислений, устойчивых к декогеренции, или позволить создавать материалы с заранее заданными, необычными свойствами. Однако до практического применения еще далеко: главный результат работы — это доказательство того, что за горизонтом привычных фермионов и бозонов действительно существует неизведанная территория, населенная частицами с «характером».
